뇌 컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interface)기술로 인간 지적능력 도약을 꿈꾸는 엘론 머스크(Elon Reeve Musk) > News Insight

  엘론 머스크를 간단히 소개해 보면

   21세기에 가장 잘 알려진 기업가 가운데 한 명이고 유명한 영화 “아이언 맨”의 실제 모델이기도한 엘론 머스크는 1971년 남아프리카 공화국에서 태어났고, 12살에 컴퓨터 게임을 만들어 500 달러에 판매한 경력이 있는 천재이다. 캐나다의 퀸즈 대학교를 거처 미국 펜실베니아 대학교에서 물리학과 경제학 2개 전공으로 학사학위를 받았다. 재료공학 박사를 취득하기 위해서 스탠포드대학에 입학허가를 받았으나 창업을 위해서 스스로 자퇴를 하였다. 

자퇴를 결심하기 전, 하루에 1달러로 한 달간을 생활하는 경험을 하여 경제적 어려움을 극복할 자신을 가지고 주저 없이 23세에 “ZIP2 Corporation”을 창업하였다. 창업 4년 후 컴펙(Compaq Computer Corporation)이 3억7백만 달러에 인수하면서 자신의 지분인 2천2백만 달러를 종자돈으로 온라인 은행인 엑스닷컴(X.com)을 창업하였다. 동종 경쟁기업인 컨피니티(Confinity)와 “Paypal”이란 기업명으로 합병하여 “이베이”에 15억 달러에 인수되면서 자신의 지분인 1.7억 달러로 다시 큰 기업으로 발전할 계기를 만들었다. 

현재까지 “Spaces X”, “Starlink”, “Tsela, Inc.”, “SolarCity”, “Hyperloop project”, “OpenAI”에 이어 2016년 7월 “Neuralink”를 설립하였고, 2018년에는 “The Boring Company”까지 총 8개의 기업을 현재 운영하고 있다. 스페이스X는 초기 3번의 로켓발사 실패로 엄청난 위기를 맞지만 4번째부터 발사에 성공하였고, 지난 5월 30일(2020년), 민간유인 우주선인 “크루 드래건”(SpaceX DM-2)이 성공적 발사되었고 다음날 국제우주정거장 도킹에도 성공하였다. 민간의 위성발사 최초 기록과 더불어 저비용의 재활용 로켓 발사에 성공하면서 미국 NASA로부터 약 3조원의 지원금을 약속받는 성공을 거두었다. 

계속해서 2025년 까지 화성에 사람을 보낸다는 계획을 달성하기 위해서 80인승 우주선 스타십 계획에 이용할 수도 있는 “펠컨 헤비” 로켓 발사를 성공하였다. 엘론 머스크가 창업한 기업 중 2016년에 설립한 뇌 바이오컴퓨터공학 기업인 “Neuralink”의 3년간의 성과에 대해서 2019년 7월 16일 창업자인 엘론 머스크와 맥스 호다크(Max Hodak) Neuralink회장을 비롯한 뇌신경외과의, 신경인터페이스 및 임플란트 시스템 전문가, 이론 과학자들이 발표한 내용과 엘론 머스크가 2019년 발표한 논문(Musk, J. Med. Internet Res.(2019), 21(10):16194)을 본고에서 정리해 보았다. 

  BCI (Brain computer Interface, 뇌 컴퓨터 인터페이스) 기술이란?

  BCI 기술은 인간 두뇌 전기장을 컴퓨터와 연결하는 인터페이스로 뇌신경학, 의학, 의공학 등 바이오기술과 컴퓨터공학, 인공지능 등의 정보통신기술이 융합된 최첨단 학문 분야이다. 인간 뇌신경이 신호를 전달할 때 시냅스(Synapse)에 화학물질이 분비된 후 시냅스사이에 전기적인 스파크(Spike)가 생기면서 전달되는데, 이때 발생하는 전기장을 시냅스근처에 전극센스를 두고 읽을 수 있다.

 인간을 포함한 동물 두뇌는 판단한 정보를 행동과 언어와 같은 신체활동으로 전달을 하는데, 결정된 정보를 신체작용을 거치지 않고 뇌파 센스(Sensor)로 직접  컴퓨터에 명령하고 실행하는 뇌파의 출력기술이 개발되었다. 나아가서 원하는 외부 기계정보를 컴퓨터에서 뇌로 입력하는 것도 가능해 지고 있다. 뇌 정보 출력 기술은 많은 연구를 통하여 뇌에 정보를 인위적으로 입력하는 기술은 쥐와 같은 동물실험으로 단순한 행동을 지시하는 실험은 성공하였지만 아직도 많은 연구가 필요하다. 

앞으로 더 발전하면  컴퓨터 내 정보를 뇌신경 세포에 자극하여 새로운 가상경험을 경험하고 뇌에 기억할 수 있을 것으로 기대한다. 지금까지 인간이 컴퓨터에 입력수단은 키보드나 마우스를 사용하거나, 제한적이지만 음성으로 명령할 수 있다. 하지만, 신체장애가 있을 시는 컴퓨터 입력할 수 없기 때문에 장애인의 뇌파를 직접 입력하는 BCI기술은 장애극복을 위해서 지속적으로 연구되고 있다. 

뇌파를 측정하기 위해서는 신호측정용 전극을 두뇌 주변 피부에 부착(비 침습)하거나 두개골에 작은 구멍을 내고 매우 작은 전극센서를 직접 설치(침습)하기도 한다. 비 침습 두피 부착의 경우는 번잡하게 센스를 머리에 씌우지만 측정할 수 있는 범위가 제한되고 정확도도 떨어지는 단점 때문에 두개골에 구멍을 내고 센스를 직접 삽입하는 침습방법을 많이 사용한다. 

그런데 침습이 좋은 결과를 얻을 수 있다고 하더라도 사람들은 머리에 구멍을 뚫는 방식은 원하지 않는다. BCI기술을 구현하기 위해 머리에 장착하는 기기를 BrainGate라고 하고 뇌에 BrainGate를 만드는 것을 뇌 임플란트(Brain Implant)기술 이라고 한다. 또한, 실용적으로 뇌에 부착된 BCI부터 기계작동까지 직접 연결되는 BMI(Brain Machine Interface)기술은 인간이 원하는 일을 생각만으로 기계에 전달되고 기계를 움직일 수 있게 된다. 

미국의 바텔(Battelle)연구소와 오하이오 주립대학은 척수손상이 심한 환자(Ian Burkhart)가 BMI를 통해서 기계 손이 감각을 가지고 가볍게 커피 잔을 들어 올릴 수도 있고, 신용카드를 인식할 수 있고 컴퓨터 게임도 할 수 있었다고 보고(Cell, 2020.4.23.)하였다.

 2019년 2월 남 플로라다 대학(University of South Florida)에서는 생각만으로 드론(Drone)을 조작하는 BMI 게임인 Brain Drone Race가 열려서 단지 생각으로 드론이 전진, 후퇴, 착륙 시킬 수 있었다. 또한, 프랑스 Grenoble대학병원은 사지마비의 환자에게 웨어러블(Wearable) 외골격을 장착하고 실시간으로 뇌 신호를 저장, 해독할 수 있는 “WIMAGIN”이란 센스를 두개골에 임플란트하여 조화롭게 보통사람들과 같이 걷는데 성공(The Lancet Neurology Journal,2019.10)하였다. 

2006년 6월, 미국 브라운대학교(Brown University)에서 15년 동안 사지 마비된 환자(Matthew Nagle)가 “Utah Array”라는 전극을 뇌에 심어서 뇌파로 로봇 팔을 사용하여 음료수를 마시는데 성공하였고, 이어서 2009년에는 256개의 “Utah Array”전극을 머리에 구멍을 뚫고 삽입하여 컴퓨터를 작동하거나 로봇 팔을 움직이는 시험을 FDA에서 임상승인 받았다. 2014년 브라질 축구월드컵 대회 개막식에서는 국제공동으로 개발된 뇌파로 조절하는 Wearable 보조 로봇을 착용한 사지마비 장애인이 성공적으로 축구공을 시축을 하였다. 

 뉴럴링크(Neuralink)社 설립

  인간 지적능력 개발을 위한 엘론 머스크의 근본적인 생각은 첫째로, 뇌의 신경전달 시 발생하는 전기장 변화를 센스로 측정하여 디지털화 하고, 연결된 블루투스(Bluetooth)로 스마트폰이나 컴퓨터에 연결하여 작동시키는 기술 실현이다. 두 번째는 실시간으로 원하는 정보를 컴퓨터 BigData에서 검색하여 만든 디지털정보를 전극을 통해 뇌에 입력할 수 있는 기술을 개발하여 인간지적 능력을 진화시키는 것이다. 즉, 인공지능이 BigData기반으로 순식간에 수많은 데이터를 검색할 수 있듯이 인간도 BCI를 통해 뇌에 학습이 되지 않은 정보를 실시간 컴퓨터 정보검색으로 뇌에서 직접 이용할 수 있을 것이다.

 인간이 컴퓨터로 정보검색 시 가장 많은 시간이 소요되는 것은 입력 시 주로 수동의 키보드, 마우스 등을 사용하기 때문에 숙련되어도 겨우 20byte/sec 속도인데 비해서, 뇌파로 생각을 통신하면 컴퓨터통신 속도인 최소한 100Mbyte/sec 속도로 높일 수 있어 순식간 입력이 가능 할 것이다.

 컴퓨터 BigData에서 얻어지는 실시간정보는 단시간에 인간 뇌에 입력되어 오랜 기간 얻어진 경험이나 지식과 융합되면 지적성취가 훨씬 클 가능성이 있다. 결국, 인공지능에게 모든 일자리를 빼앗길 수도 있다는 걱정과 특정시점이 지나면 인간의 결정권을 모두 인공지능에게 빼앗길 수 있다는 위협에서 벗어나 인공지능과 정보를 주고받는 공생관계를 가져 함께 살아가는 환경을 만들 수 있을 것이다.

 하지만, BCI기술이 가장 빨리 인간에게 사용할 수 있는 분야는 뇌에서 일어나는 신경 신호를 정확히 읽어 출력(Output), 분석하여 인간이 극복하기 어려운 장애나 질병 등과 같은 비정상적인 인간기능(Dysfunctions)을 치료 또는 예방하여 극복하는 것이다. 인간이 가진 경험과 지식에, 컴퓨터가 새로운 Data를 booting하듯이, 인공지능의 정보대역폭(Bandwidth)을 공유할 수 있는 BMI(Brain Machine Interface)를 만들어 뇌에 정보를 주입(Input) 할 수 있다면 인공지능과 동등한 지적능력을 가질 수 있어 경합관계가 아닌 오히려 효율적으로 활용할 수 있다고 엘론 머스크는 생각한 것이다. 그는 2016년 7월, 1억 달러(약 1,200억 원)를 투자하여 100여명의 직원으로 “Neuralink”라는 스타트업을 시작하게 된다. “Neuralink”의 근본적 생각은 뇌파에서 나오는 신경의 전기장의 변화를 기존의 BCI와는 다르게 수많은 센스로 분석하여 디지털화하고 연결된 블루투스(Bluetooth)로 스마트폰이나 컴퓨터에 연결하는 기술인데, 쉽게 말하면 초소형 인공지능 기기를 뇌에 삽입하여 인간의 지능을 강화하고자 하였다. 

결론적으로 인간의 생각을 컴퓨터에 업·다운로드(Up and Down load)하는 뉴럴 레이스(Neural lace)를 개발하여 컴퓨터와 인간두뇌가 연결 하여 장애를 해결할 수 도 있고 인간을 더 높은 지적수준으로 높이자 하였다. 실제 뇌를 자극하여 장애가 있는 신체기능을 회복하려는 노력은 1957년에 이미 시작하여 귀의 달팽이관에 전기장 자극하여 귀 기능을 회복하는데 성공하였고, 1997년에는 파킨슨병 환자의 신체 떨림을 뇌에 고주파 자극으로 성공적 회복한 경험을 얻으면서 뇌와 컴퓨터를 연결하는 인터페이스(BCI) 기술로 확장 발전하였다. 

 전술한 바와 같이 2009년, 미국 FDA에서는 임상시험 승인을 받기도 하였지만, 여전히 BCI기술에 가장 해결하여야 할 문제점은 생체 적합성(Biocompatibility)이다. 오랜 기간 안전한 사용이 가능해야 하고, 접촉되는 전극 수가 많아서 뇌의 많은 부위에 다양한 신호측정이 가능해야 한다. 임상시험을 허가받은 “Utah Array”전극은 단지 256개의 전극을 사용하였기 때문에 모든 뇌 부위 시그널을 분석할 수 없고, 두개골에 256개의 구멍을 뚫어서 삽입하기 때문에 감염이나 면역에 큰문제가 생길 가능성이 있었다. 또한, 센스 삽입 시 미세한 뇌혈관에 상처를 주어 출혈이 생기면 뇌에 심각한 다른 손상을 가질 수 있는 위험성이 있다. 

특히, 항상 분석컴퓨터를 장착하고 있어야만 이용할 수 있어서 병상에 누워 있는 환자 외는 사용하는데 적절하지 않다. “Neuralink”는 이런 문제 해결방안을 확립하여 현재 머리카락 두께의 1/10 크기의 초소형 전극을 개발했고, 아울러, 초미세 뇌혈관을 피하며 초소형 미세전극을 심는 정밀한 수술 로봇을 개발하였다. 수많은 센서에서 얻어진 뇌파를 해석하는 새로운 알고니즘를 개발하고 데이터 수집 칩(chip)인 4 mm크기의 N1 sensor와 블루투스를 이용한 컴퓨터에 연결방식(Musk, J.Med. Internet Res.(2019), 21(10):16194) 등을 만들어 BCI기술을 획기적으로 크게 발전시켰다. 여기에 그치지 않고, 엘론 머스크는 그가 항상 주장하고 있는 “인류는 내가 구 한다”라는 신념으로 인공지능보다 더 높은 지능을 구사할 수 있는 신인류인 Cyborg human을 생각하면서 만든 회사라고 추정한다.

 “Neuralink”가 개발한 BCI 소재 

 현재까지 개발되어 성공한 BCI 센스는 사람 두개골에 구멍을 뚫어야하는 점이 가장 큰 문제점이고 아울러, 거추장스러운 머리에 장착하는 BCI 장치와 분석하는데 필요한 컴퓨터가 항상 가까이 있어야하는 불편함이 있었다. BrainGate로 잘 알려진 “Utah Array”전극은 두께가 0.03-0.1mm여서 머리에 장착 시 비교적 두개골 천공(穿孔)이 크기 때문에 염증이나 면역거부 반응 때문에 사용하기 까다롭다. “Utah Array”전극자체가 굵고 뻣뻣하여 뇌의 혈관 및 신경 등 다른 부위를 손상시켜 출혈 또는 훼손 시 아주 위험할 수도 있고, 실제로 시냅스에서 머리카락 굵기 정도의 거리에 센스가 장착되어야 이상적인 신호를 읽을 수 있을 정도로 정밀하여야 하는데 센스가 너무 두꺼워 사용하기 어려웠다. 

 이번 발표한 “Neuralink”에서 개발한 실(Thread) 전극은 0.004-0.006mm(4-6μm)로 아주 가늘고 유연하여 다른 뇌 부위에 손상을 주지 않아서 간편하게 사용할 수 있다고 한다. 하지만, 너무 가늘고 유연한 전극을 뇌에 정확한 위치에 장착하기가 매우 어려운데 이를 해결하기 위해서 “Neuralink”는 혈관의 손상 없이 정확한 위치와 깊이에 전극을 수술하는 로봇을 개발하였다. 또한, 가까운 장래에 개발될 예정인  레이저 로봇수술기는 순식간에 수많은 전극을 통증 없이 수술할 수 있어 현재의 라식수술 정도의 간단한 수술이 될 것이라고 소개하였다. 

가장 최근까지 개발된 “Utah Array”전극은 최대 256 채널인데 비해, “Neuralink”에서 사용한 전극은 96개의 실 전극(Threads electrode)으로 구성된 32개의 전극으로 구성된 총 3,072 채널로 측정할 수 있어서 더 많은 데이터 획득와 미세한 조절도 가능하다. 쥐 실험에서는 센서 끝에 USB를 달아서 얻어진 Data를 바로 컴퓨터에 연결할 수 있었고, 후속되는 원숭이 실험에서는 가는 실 전극을 사용하여 팔을 움직이는데 필요한 뇌파를 분석하여 실제 로봇 팔을 아주 정확하게 움직이는 동영상을 공개하였다. 

사람에게는 4개의 N1 센스를 사용하여 총 10,000개 이상의 전극을 뇌에 이식하는 계획을 수립하고 있고, 센스에서 감지된 신호는 귀 뒤에 장착된 배터리를 포함한 작은 단말기(Pod)에서 Analog Data를 Digital화하는데 초당 2만개의 10bit 해상도를 200배 압축하는데 단지 6.6 마이크로 와트 전기로 0.000009 초 만에 가능하다고 발표하였다. 

아울러 단말기에 장착된 블루투스 기능으로 컴퓨터를 가지고 다니지 않고 곧 바로 컴퓨터와 연결이 가능하다고 한다. 올해인 2020년 말까지는 우선 파킨슨이나 우울증 환자, 사지마비 장애 등을 치유하는 임상실험이 가능할 것이라고 엘론 머스크는 말하고 있다. 더욱 기술이 개발되면 귀 뒤에 장착된 단말기 블루투스로 컴퓨터에 내재된 Digital data가 upgrade되어 뇌의 Analog신호로 변환하여 뇌에 주입하면 인간의 지능수준도 높일 수 있을 것으로 기대한다. 

아울러 엘론 머스크는 전극을 지금과 같이 수술에 의존하지 하지 않고 액체상태의 전극을 주사기로 뇌에 주입하여 뇌 표면을 초박막 전자 그물망을 형성하여 자유롭게 사람의 뇌에 정보를 loading, unloading하면 충분히 현재 인간의 지능을 뛰어넘어 초인간 지능(Superhuman intelligence)을 달성할 것으로 생각하고 있다. 뉴럴 레이스 기술이 성숙되면 N1 chip에 전혀 다른 정보가 내재된 chip으로 바꾸면 필요한 능력이나 기술을 즉각 뇌에 업그레이드할 수 있을 것으로 예상한다. 

어쩌면 영화 “매트리스”에서처럼 헬기를 처음 타는 사람이 헬기 조정술을 loading 한 후 곧바로 조종할 수도 있을 것이고, 전혀 모르는 외국어도 유창하게 말할 수 있는 시대가 올지도 모른다. 꼭 인간과 기계만이 소통하게 되리라는 법은 없고 iOE(internet Of Everythings)처럼 인간과 인간, 인간과 동물 사이의 상호 소통도 예측해 볼 수도 있다.

 의학 분야도 획기적 발전하여 인간의 기억을 컴퓨터 서버에 보관했다가 치매가 병발하면 기억 복구에 사용할 수 도 있을 것이고, 사지마비 환자의 저장된 기억을 로봇이나 다른 사람에게 옮기는 것도 가능할 수도 있다. 인간의 생각만으로 컴퓨터가 독창적인 그림을 그리고, 음악도 작곡하면서 자기만의 예술을 창작하고 아주 멀리 떨어진 사람과 전화 없이 실시간 대화도 할 수 있는 날은 멀지 않을 것이다. 

사실 BrainGate기술만으로도 미국에서 영국에 있는 자기 집 전등을 소등한 일은 몇 년 전에 이미 성공하였다. 텔레파시도 충분히 가능하고 가상현실을 이용하면 생소한 지역을 여행도 하고, 해보지 못했던 축구와 같은 운동도 포지션을 바꿔가면서 직접 체험할 수 있을 것이다. 게임 산업도 이미 프로그램 된 게임에서만 하는 것이 아니고 상황에 따라 자유자재로 바뀌어 현실상황과 같은 무한한 다양성이 보장되고, 가상현실과 결합하면 머릿속에서 인간이 상상하는 모든 일을 경험할 수 있는 날도 멀지 않을 것이다. 

  결론은…

   엘론 머스크의 다양한 상상력과 과감한 모험심은 누구의 도움 없이 지금의 억만장자로 성공했을 뿐만 아니라 당당하게 인류를 위해 보람된 일을 할 수 있다는 자부심을 엿볼 수 있었다. 현재 엘론 머스크는 남아프리카 공화국, 캐나다, 미국의 3개의 국적을 가지고 있는데, ‘만약, 그냥 남아프리카 공화국에 남아 있었다면 지금과 같은 큰 성취를 이룰 수 있었을까?’ 라는 생각을 해 본다. 스탠포드 대학교 박사과정에 입학허가를 받고 자신을 시험하기 위해 “1달러 과제”를 하는데 즉, 하루에 1달러(약 1,200원)만 가지고 한 달 생활하는 헝거리(Hungry) 시험인데, 작은 돈으로도 즐겁게 살수 있다고 판단하여 박사과정을 포기하고 Startup을 창업하여 오늘날의 성공을 거두었다. 

어쩌면 무모할지도 모르지만 환경보호 전기차 “Tsela, Inc.”, 화성이주 “Space X” 도 끈기 있는 노력으로 성공을 앞두고 있고, 인류를 위하는 약속대로 1조 3,000억 원을 들인 스타트업 “Open AI”는 모든 인공지능을 공개하여 인류전체의 발전에 이바지하고 있다. 소개한 “Neuralink”도 인간의 지능을 upgrade하여 인공지능과 공존하는 방안을 찾는 것을 보면서 인공지능을 두려워하지 않고 시대조류의 대세인 인공지능을 받아들이면서 오히려 긍정적인 노력한다는데 의미가 있다. 

스티브 잡스(Steve Jobs)나 엘론 머스크(Elon Reese Musk)처럼 속칭 금 수저가 아닌 흙 수저이면서도 무한한 상상력과 어쩌면 무모할 정도로 담대한 모험심을 발휘할 수 있는 용기를 가지고 성공하여 젊은 학생들의 우상이 되고 있다. 엘론 머스크 같은 지혜와 용기를 가지고 우리나라뿐만 아니라 전체인류 발전에 이바지할 수 있는 큰 사업가를 우리도 기대하여 본다. 

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